Устройство для определения составляющей вектора скорости движения объекта Советский патент 1992 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к области измерения параметров движения объектов со светоизлучающей или светоотражающей поверхностями.

Известно устройство для определения модуля и направления вектора скорости движения поверхности объектов, содержащее анализирующий растр в виде светонеп- роницаемой фотомаски с тремя последовательно расположенными рядами, первый из которых содержит центральное отверстие, второй выполнен в виде спирали Архимеда, а третий - в виде концентрического кольца, расположенные за растром фотоприемники, подключенные к блокам обработки информации.

Недостатками данного устройства являются наличие сложного в технической реализации блока регулируемого временного запаздывания сигналов и малая точность измерений при больших скоростях движения объекта.

Известно также устройство для измерения скорости движения объекта по скорости движения изображения подстилающей поверхности, содержащее два разнесенных по базе фотоприемника, соединенных с корректором.

Недостатками устройства являются необходимость разнесения фотоприемников на величину измерительной базы и зависимость точности измерения скорости от величины измерительной базы.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения состав- ляющей вектора скорости движения объекта, которое содержит установленный в плоскости, параллельной плоскости движения объекта, светофильтр, выполненный в виде штрихового растра с изменяющимся по экспоненциальному закону шагом, размещенные за ним фотоприемники, соединенные с выходами фотоприемников элемент сравнения сигналов и сумматор сигналов, дифференцирующее и делительное устройства. На выходе делительного устройства образуется сигнал, который является мерой определяемой скорости движения объект.

Известное устройство имеет невысокую точность измерения параметров движения, обусловленную краевым эффектом, который проявляется в том, что в те моменты времени, когда изображение объекта входит в область анализа или выходит из нее, возникает погрешность в измерениях. Это связано с тем, что на краях светофильтра конечных размеров, реализующего экспоненциальный закон, коэффициент свето- пропускания не равен нулю.

Цель изобретения - повышение точности измерения составляющей вектора скорости движущегося объекта со случайным распределением яркости при использовании светофильтра с отличным от нуля коэффициентом пропускания на краях.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения составляющей вектора скорости движения объекта со

0 случайным распределением яркости, содержащее светофильтр, установленный в плоскости, параллельной плоскости движения объекта, первый и второй фооприемники, элемент сравнения, сумматор, блок деления

5 и блок дифференцирования, причем выходы фотоприемников подключены к соответствующим входам элемента сравнения и сумматора, первый вход блока деления соединен с выходом элемента сравнения, а

0 второй его вход - с выходом блока дифференцирования, светофильтр выполнен с коэффициентом пропускания, изменяющимся по экспоненциальному закону, симметричному относительно границы оптического со5 пряжения первого и второго фотоприемников, введены светоделитель- ный элемент, второй светофильтр с изотропным коэффициентом пропускания, равным коэффициенту пропускания перво0 го светофильтра на его краях, третий и четвертый фотоприемники, второй элемент сравнения, причем светоделительный элемент установлен перед первым светофильтром и через второй светофильтр оптически

5 связан стретьим и четвертым фотоприемниками, граница оптического сопряжения которых совпадает с границей оптического сопряжения первого и второго фотоприемников, третий и четвертый фотоприемники

0 соединены последовательно и подключены к одному из входов второго элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход - с входом блока дифференцирования. На фиг.1 представле5 на схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - эпюра распределения коэффициента светопропускания светофильтра.

Устройство для определения составляющей вектора скорости движения объекта

0 содержит светоделительный элемент 1, све- тофольтр 2, второй светофильтр 3, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 фотоприемники, элемент 8 сравнения,блок 9 деления, блок 10 дифференцирования, второй эле5 мент 11 сравнения и сумматор 12.

Светоделительный элемент 1 установлен перед светофильтром 2 и через него оптически связан с первым 4 и вторым 5 фотоприемниками, а через второй светофильтр 3-е третьим 6 и четвертым 7 фотоприемниками. Причем коэффициент свето- пропускания светофильтра 2 изменяется по экспоненциальному закону в функции расстояния от границы оптического сопряжения первого 4 и второго 5 фотоприемников (фиг.2), второй светофильтр 3 имеет изотропный коэффициент светопропускания, равный коэффициенту светопропускания светофильтра 2 на его краях, а границы оптического сопряжения первого 4 и второго 5 фотоприемников совпадает с границей оптического сопряжения третьего 6 и четвертого 7 фотоприемников. Выходы первого 4 и второго 5 фотоприемников подключены к соответствующим входам элемента 8 сравнения, выход которого соединен с первым входом блока 9 деления, и сумматора 12, выход которого соединен с вторым входом второго элемента 11 сравнения. Третий 6 и четвертый 7 фотоприемники соединены последовательной подключены к первому входу второго элемента 11 сравнения, выход которого через блок 10 дифференцирования соединен с вторым входом блока 9 деления.

Устройство работает следующим образом.

Световой поток Ф Фч + Фг от отражающей или светоизлучаюшей поверхности движущегося объекта со случайным распределением яркости проецируется на первый 4 и второй 5 фотоприемники через светофильтр 2 с коэффициентом светопропуска--X.I 5Ј

ния е , связан со значением измеряемой составляющей вектора скорости Vx следующей функциональной зависимостью:

dt

Vl

E(x,y)dx-J d у / e x Е ( x , у ) d x + у,xi

+ Vx р / е Е ( х2 , у ) d у

-/ E(x,y)dy

аУх Ф2-Ф1 +Ух Ф2 -ФГ

где Е(х,у) - функция распределения освещенности изображения;

xi, О, Х2, yi, У2 - КОЭФФ1 циенты первого и второго фотоприемников,

Ф| и Фл - световые потоки, падающие на светочувствительную поверхность первого и второго фотоприемников;

Ф| , Фг1 - интегральная освещенность вдоль границы первого и второго фотоприемников.

Точное измерение интегральных осве- щенностей Ф| и Ф21 сопряжено с техническими трудностями, а реализация светофильтра 2 с коэффициентом светопропускания, близким к нулю на границах первого 4 и второго фотоприемников 5, приводит к значительному ослаблению полезного сигнала и ухудшению отношения сигнал/шум. Для исключения этого необходимо сместить экспоненту по оси абсцисс на величину коэффициента светопропускания /5 светофильтра 2 на границах первого и второго фотоприемников, при этом выражение (1) примет вид:

-|Г(Ф1+Ф2)-/3(Ф1 +

+ Ф/ ) аУх(Ф2-ФО,

где Ф| и Фг - световые потоки, падающие

на первый и второй фотоприемники при условии, что светофильтр 2 отсутствует.

Приведенная на фиг.1 схема реализует один из возможных вариантов вычисления искомой составляющей вектора скорости

движения объекта. Световой поток, несущий информацию об изображении движущегося объекта со случайным распределением яркости, разделяется све- тоделительным элементом 1 и через светофильтры 2 (с коэффициенте светопропускания и 3 (с изотропном коэффициентом светопропускания /3) попадает на оптически попарно сопряженные фотоприемники 4,5 и 6,7, где преобразуе i ся

в электрические сигналы Ui, U2 и Уз, 1М Выходные сигналы Ui КФ1 и Da КФ2, где К- коэффициент преобразования фотоприемника, первого 4 и второго 5 фотоприемников суммируются сумматором 12 Второй

элемент 11 сравнения формирует разность выходного сигнала сумматора 12 и суммарного выходного сигнала третьего 6 и четвертого 7 фотоприемников Уз К(Ф1 + Ф} - -/ Фт - ). Результирующий разностный сигнал 11з дифференцируется по времени дифференцирующим устройством 10 выходной сигнал с которого Щ (Ф1 + +Ф2) - К /3(Ф1 + Ф2)/йт подается на второй вход блока 9 деления, который находит отношение вычисляемой производной по времени от выходного-сигнала блока 10 дифференцирования и разности выходных сигналов первого 4 и второго 5 фотоприемников Us К(Ф2 - Фч), вычисляемой элементом 8 сравнения.

Устройство позволяет повысить точность измерения параметров движения объекта со случайным распределением яркости за счет учета граничного эффекта при пересечении изображения границ фотоприемников.

Формула изобретения Устройство для определения составляющей вектора скорости движения объекта со случайным распределением яркости, содержащее светофильтр, установленный в плоскости, параллельной плоскости движения объекта, первый и второй фотоприемники, элемент сравнения, сумматор, блок деления и блок дифференцирования, причем выходы фотоприемников подключены к соответствующим входам элемента сравнения и сумматора, первый вход блока деления соединен с выходом элемента сравнения, а второй его вход - с выходом блока дифференцирования, светофильтр выполнен с коэффициентом пропускания, изменяющимся по экспоненциальному закону, симметричному относительно границы оптического сопряжения первого и второго фотоприемников, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности измерения при использовании светофильтра с отличным от нуля коэффициентом пропускания на краях, в него введены

светоделительный элемент, второй светофильтр с изотропным коэффициентом пропускания, равным коэффициенту пропускания первого светофильтра на его краях, третий и четвертый фотоприемники,

второй элемент сравнения, причем светоделительный элемент установлен перед первым светофильтром и через второй светофильтр оптически связан с третьим и четвертым фотоприемниками, граница оптического сопряжения которых совпадает с границей оптического сопряжения первого и второго фотоприемников, третий и четвертый фотоприемники соединены последовательно и подключены к одному из входов

второго элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход - с входом блока дифференцирования.

Использование: измерение параметров движения объектов со светоизлучающей или светоотражающей поверхностями. Сущность изобретения: устройство содержит светоделительный элемент (1), два cse- тофильтра (2 и 3), четыре фотоприемникз

х.